本文關(guān)鍵詞：面向四旋翼無人機的非線性控制方法與實現(xiàn)　出處：《浙江大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 四旋翼 無人機 飛行控制 故障檢測 極限學(xué)習機 命令濾波 反步法 飛控計算機 硬件

【摘要】：飛行控制技術(shù)是四旋翼無人機的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文在考慮四旋翼無人機非線性、靜不穩(wěn)定、欠驅(qū)動、軸間耦合等特性的基礎(chǔ)上,對其運動學(xué)關(guān)系、動力學(xué)模型和執(zhí)行器系統(tǒng)進行了建模和辨識,圍繞四旋翼無人機的精確、穩(wěn)定飛行控制問題展開研究。首先深入研究了四旋翼無人機執(zhí)行器的原理和特性,提出了一種基于極限學(xué)習機(Extreme Learning Machine,ELM)的四旋翼執(zhí)行器故障檢測方法,實現(xiàn)了執(zhí)行器系統(tǒng)的在實時在線故障檢測。針對四旋翼無人機的全狀態(tài)反饋控制問題,進一步在精確模型的基礎(chǔ)上,提出了一種基于命令濾波反步法(Command Filtered Backstepping,CFBS)的四旋翼非線性控制器,該控制器能保證各狀態(tài)大范圍漸近穩(wěn)定;并進一步提出了一種基于飛行狀態(tài)的參數(shù)調(diào)度策略,提高該控制器在實際應(yīng)用中的控制性能。基于模型的控制方法依賴被控對象的精確模型,本文還探究了基于學(xué)習策略的控制方法,降低了控制器對精確模型的依賴,設(shè)計了一種ELM輔助的在線訓(xùn)練四旋翼無人機姿態(tài)控制器,在實際應(yīng)用中性能優(yōu)良。本文研究的創(chuàng)新成果如下:(1)針對一種典型的四旋翼無人機平臺,建立了非線性運動學(xué)模型、非線性動力學(xué)模型和執(zhí)行器模型。重點提出了參數(shù)測定和辨識方法,通過實驗測定了實驗平臺的物理參數(shù);并圍繞一組典型的四旋翼無人機執(zhí)行器系統(tǒng),通過辨識實驗建立了執(zhí)行器系統(tǒng)的動態(tài)模型,實驗結(jié)果顯示所辨識的模型具有足夠的精度。該參數(shù)測定和辨識方法可以用于多種旋翼無人機平臺的建模。(2)針對四旋翼無人機在線執(zhí)行器故障檢測需求,提出了 一種故障檢測方法。首先使用一個ELM網(wǎng)絡(luò)表征執(zhí)行器的動態(tài)模型,并定時使用執(zhí)行器的輸入、輸出和狀態(tài)數(shù)據(jù)訓(xùn)練該網(wǎng)絡(luò),將執(zhí)行器的動態(tài)特性映射到該網(wǎng)絡(luò)的輸出矩陣中;進一步通過監(jiān)測輸出矩陣的范數(shù),可以實時了解執(zhí)行器的動態(tài)特性變化,從而判斷是否發(fā)生故障。該方法最終在自制旋翼系統(tǒng)實驗平臺上進行測試,實驗結(jié)果顯示該方法能夠在主流執(zhí)行器硬件平臺上實現(xiàn),且對早期微小故障和嚴重故障都具有很高的靈敏度。(3)提出了一種基于CFBS的面向四旋翼無人機的全狀態(tài)反饋控制器,被控系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能且大范圍漸近穩(wěn)定。為了進一步提高調(diào)節(jié)精度,同時降低執(zhí)行器飽和風險,在該控制器的基礎(chǔ)上提出了一種參數(shù)調(diào)度機制。依據(jù)實際飛行狀態(tài),在系統(tǒng)穩(wěn)定條件范圍內(nèi)調(diào)度控制器的參數(shù),可以調(diào)節(jié)被控系統(tǒng)每一級誤差能量的收斂速度,從而獲得兩點有益效果:1)降低控制信號在快速跟蹤過程中的幅度,降低了執(zhí)行器飽和的風險;2)提高控制器在調(diào)節(jié)過程中的控制作用,減小調(diào)節(jié)誤差。該控制器在實際無人機系統(tǒng)中實現(xiàn)并測試,對比控制方法包括:基于動態(tài)面控制(Dynamic Surface Control,DSC)和基于串級PID設(shè)計的控制器,實驗結(jié)果顯示該控制器在實際系統(tǒng)中具有良好的控制性能。(4)針對基于串級PID飛控系統(tǒng)參數(shù)整定繁瑣的問題,在串級PID姿態(tài)控制器的基礎(chǔ)上,提出了一種ELM輔助的在線訓(xùn)練四旋翼姿態(tài)控制器。該控制器包含一個ELM網(wǎng)絡(luò),經(jīng)過訓(xùn)練后,該網(wǎng)絡(luò)能表征包含軸間耦合的被控四旋翼角速率子系統(tǒng)逆模型。由于引入的網(wǎng)絡(luò)控制器使用實際飛行數(shù)據(jù)在線訓(xùn)練,所以在設(shè)計階段無需被控對象的精確先驗?zāi)Ｐ�。該ELM網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練后被用作直接逆控制器,ELM網(wǎng)絡(luò)的輸出和PID控制器的輸出相加后,作用于被控無人機系統(tǒng)。通過實際飛行實驗驗證了該方法的有效性和實用性,實驗結(jié)果顯示,在線訓(xùn)練后四旋翼無人機的飛行品質(zhì)提高,內(nèi)環(huán)跟蹤誤差和跟蹤滯后降低。(5)非線性控制器在實際系統(tǒng)中的實施依賴于硬件平臺。結(jié)合非線性飛行控制需求和四旋翼無人機的結(jié)構(gòu)特點,詳細討論并分別設(shè)計了基于DSP和ARM運算平臺的飛控計算機硬件系統(tǒng),并從實現(xiàn)成本、互聯(lián)能力、運算能力等多方面對兩者進行了測試和對比。另外,針對混合動力機型等供電電壓波動的應(yīng)用場合,設(shè)計了一種具有輸入電壓補償?shù)拈]環(huán)電子調(diào)速器(Electronic Speed Controller,ESC),實驗結(jié)果顯示,其能夠在輸入電壓波動時產(chǎn)生相對穩(wěn)定的推力。
[Abstract]:A four - rotor non - linear controller based on command - filter backstepping ( CFBS ) is established based on the characteristics of nonlinear , static instability , underactuated and inter - axis coupling of four - rotor unmanned aerial vehicle . ( 3 ) A full - state feedback controller for four - rotor unmanned aerial vehicle based on CFBS is proposed . The controlled system has better tracking performance and is asymptotically stable . ( 5 ) The implementation of nonlinear controller in real system depends on hardware platform . In combination with nonlinear flight control requirement and structure characteristics of four - rotor unmanned aerial vehicle , the hardware system of flight control computer based on DSP and ARM arithmetic platform is discussed in detail . In addition , a closed - loop electronic speed controller ( ESC ) with input voltage compensation is designed .

【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：V279;V249.1

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本文編號：1406885